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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Schienenfahrzeugbremsvorrichtung mit
wenigstens einem um eine Achse kippbar gelagerten, wenigstens einen Bremsbelag
tragenden Bremsbelaghalter, gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Eine
gattungsgemäße Schienenfahrzeugbremsvorrichtung
ist in der
DE 195
08 034 A1 offenbart. Um eine maximale Standzeit von Bremsklötzen und
Bremsbelägen
zu erreichen, muss das zur Verfügung
stehende Verschleißvolumen
möglichst
gleichmäßig genutzt
werden. Dazu ist es wichtig, dass der Reibbelag nicht im Laufe des
Verschleißhubes
eine Schräglage
einnimmt, durch welche die nutzbare Verschleißdicke reduziert wird.
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Bei
Schienenfahrzeugen können
die Radsätze
gegenüber
den Drehgestellen in der Regel seitliche Verlagerungen ausführen. Darüber hinaus
ist auch eine begrenzte Höhenverlagerung
der Radsätze
gegenüber
den Drehgestellen, welche die Radbremsen, beispielsweise Klotzbremsen
tragen, möglich.
Eine kippbare Lagerung von Bremsbelaghaltern, Bremsklotzhaltern
oder Bremsklotzschuhen ist dann notwendig, damit die Bremsbeläge oder
Bremsklötze den
zugeordneten Bremsflächen
an den Rädern
der Radsätze
trotz seitlicher und/oder Höhenverlagerung der
Achsen gegenüberliegen
können.
Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Bremsbeläge oder Bremsklötze gegenüber der
zugeordneten Bremsfläche
eine Schräglage
einnehmen und sich demzufolge auch schräg abnutzen können. Maßgebend
für den
Schrägverschleiß ist die
Lage des sog. Verschleißmittelpunkts
an der Reibfläche
des Bremsbelags bzw. des Bremsklotzes, an welchem die Bremskraft
FBrems fiktiv angreift und welcher aufgrund
eines komplexen Verfahrens rechnerisch bestimmt werden kann.
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Als
Beispiel für
eine solche Problematik ist in 1 eine übliche Aufhängung von
Bremsbelaghaltern 1 durch Bolzenverbindungen 2 an
Bremszangenhebeln 4 einer Kompaktbremszange 6 gezeigt, welche
mit einer nicht gezeigten achsfesten Bremsscheibe zusammenwirkt.
Bedingt durch die kippbare Lagerung der Bremsbelaghalter 1 wandert
durch einen geringen Schrägverschleiß der Bremsbeläge 8 der
Verschleißmittelpunkt 10 um
eine Wegstrecke h1 gegenüber
der Kraftwirklinie 12 der an der Bolzenverbindung 2 wirkenden
Bolzenkraft FBolzen als Reaktionskraft seitlich
aus, so dass ein Drehmoment auf den Bremsbelag 8 entsteht,
das einen über
der Verschleißdauer
zunehmenden Schrägverschleiß zur Folge
hat, wie anhand von 2 leicht vorstellbar ist. Dies
bedingt im Sinne eines instabilen Verhaltens eine Selbstverstärkung des
Schrägverschleißes, indem
dieser größer wird,
je weiter er fortgeschritten ist. Anstatt an einem einzigen Bremsbelag 8 kann auch
an mehreren, an einem durch eine Bolzenverbindung 14 kippbar
gelagerten Bremsbelaghalter 16 einer Kompaktbremszange 18 gehaltenen
Bremsbelägen 20,
welche gemäß 3 beispielsweise
einen sechseckigen Querschnitt aufweisen, Schrägverschleiß auftreten. Das gleiche Problem
stellt sich bei Klotzbremsen 22, wobei in 4 ein
Bremsklotzhalter 24 dargestellt ist, welcher gegenüber Bremshebeln 26 und
einer Kolbenstange durch eine Bolzenverbindung 28 gelagert
schwenkbar gelagert ist.
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Die
eingangs erwähnten,
sich von einer zum Reibpartner gewandten Reibfläche in das Innere des Verschleißvolumens
erstreckende Ausnehmungen, meist in Form von längs und quer verlaufenden Schlitzen 19 (siehe 1)
dienen zum einen dazu, Wasser auf den Reibflächen nach außen abzuleiten, damit
sich bei feuchter Umgebung kein hydrodynamischen Schmierfilm auf
den Reibflächen
ausbildet und der Gleitreibwert reduziert wird. Weiterhin verhindern diese
Schlitze 19 eine Aufbiegung des Bremsbelags, wenn sich
dieser entlang seiner Dicke ungleichmäßig erwärmt und es dadurch zu ungleichmäßigen Wärmeausdehnungen
kommt.
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Um
dem Schrägverschleiß entgegenzuwirken
sind mehrere technische Lösungen
bekannt: Eine Möglichkeit,
die vor allem bei konventionellen Bremszangen Anwendung findet,
ist die Verwendung einer breiten Hängelasche, die einem Schrägverschleiß der Beläge entgegenwirkt.
Eine andere Möglichkeit,
die bei Kompaktbremszangen angewendet wird, sind Parallellenker,
wie sie in der
DE
195 08 034 A1 beschrieben sind. Bei beiden Lösungen ist
zu beachten, dass der Radsatz eines Schienenfahrzeuges üblicherweise
eine gewisse radiale Einstellbarkeit bei Kurvenfahrten aufweist,
während
die Bremszange drehgestellfest montiert ist. Um bei radial eingestelltem
Radsatz und relativ zum Drehgestellrahmen parallel geführten Bremsbelägen während des
Bremsvorgangs keine unzulässig
hohen Kantenpressungen des Bremsbelages zu erhalten, muss die Parallelführung eine
gewisse Elastizität
aufweisen. Diese üblichen
Parallelführungen
stellen also einen Kompromiss zwischen exakter Parallelführung und
Nachgiebigkeit bei Kurvenfahrten dar. Außerdem stellt eine zusätzlich erforderliche
Parallelführung
einen Kostenfaktor dar.
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Andererseits
ist der Verschleiß von
Bremsklötzen
und Bremsbelägen
von weiteren Parametern abhängig,
zum Beispiel von der Flächenpressung, der
Gleitgeschwindigkeit, der Rauheit der Gleitflächen, der Ebenheit der Gleitflächen, die
sich z. B. durch Wärmedehnungen
während
einer Bremsung verändern
kann, vom Werkstoff des Rades bzw. der Bremsscheibe, vom Werkstoff
des Bremsklotzes bzw. des Bremsbelages, von der Umgebungstemperatur,
der Kühlung,
der Luftfeuchtigkeit und der Bremsenergie. Unter Berücksichtigung
dieser Einflussgrößen ist
es möglich,
den Krafteinleitungspunkt so zu wählen, dass die Tendenz zum
Schrägverschleiß reduziert
wird. Gemäß der
EP 551 868 A1 wird
vorgeschlagen, den Krafteinleitungspunkt eines nierenförmigen Scheiben-Bremsbelages nicht
in der Ebene des Flächenschwerpunkts
der Reibfläche
zu platzieren, sondern radial etwas in Richtung der Bremsscheibenachse
verschoben, um dort, wo die Umfangsgeschwindigkeit der Reibfläche geringer
ist, eine höhere
Belagpressung zu erzeugen und damit einen gleichmäßigen Belagverschleiß zu erhalten. Weiterhin
existieren zur Ermittlung eines optimalen Krafteinleitungspunktes
Berechnungsprogramme. Eine Überprüfung des
Resultates bzw. eine Optimierung ist durch Versuche am Reibungsprüfstand oder durch
Fahrversuche möglich.
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Aufgrund
der Tatsache, dass die optimale Lage des Krafteinleitungspunktes
von der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs abhängt, ist es aber nicht möglich, einen
für alle
Einsatzfälle
optimalen Druckpunkt zu finden. Das bedeutet, der gleiche Belag
hat in einem schnellen Fahrzeug die Tendenz zum Schrägverschleiß in der
einen Richtung und in einem langsamen Fahrzeug die Tendenz zum Schrägverschleiß in der
anderen Richtung.
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Gemäß der
DE 12 38 284 A1 wird
ein parallelogrammartiger bzw. trapezförmiger Querschnitt eines Bremsbelags
vorgeschlagen, um ein alleine durch die Abstützung einer Trägerplatte
an einer Führung
hervorgerufenes Kippmoment auf den Bremsbelag zu kompensieren.
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Der
Erfindung liegt demgegenüber
die Aufgabe zugrunde, Schienenfahrzeugbremsvorrichtungen der eingangs
erwähnten
Art derart weiter zu bilden, dass Schrägverschleiß der Bremsbeläge auf einfache
Weise reduziert und dadurch das zur Verfügung stehende Verschleißvolumen
besser genutzt wird.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Erfindung basiert auf dem Gedanken, die geometrische Form von Bremsbelägen so zu
gestalten, dass sich bei auftretendem Schrägverschleiß der Verschleißmittelpunkt
am Bremsbelag und dem Reibpartner so verschiebt, dass ein dem Schrägverschleiß entgegenwirkendes
Drehmoment entsteht.
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Dabei
umfasst der Bremsbelag ein im Bremsbelaghalter gehaltenes Haltevolumen
und einen mit dem Verschleißpartner
wie beispielsweise einer Bremsscheibe zusammenwirkendes Verschleißvolumen.
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Gemäß der Erfindung
sind mehrere polygonförmige
und gegenüber
dem Bremsbelaghalter allseitig kippbar ausgeführte Bremsbeläge vorgesehen, wobei
sich der Querschnitt des Verschleißvolumens der Bremsbeläge in jeder
Ebene senkrecht zum Reibpartner gesehen zum Reibpartner hin verjüngt.
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Denn
aufgrund der dann schiffsrumpfartig geneigten Seitenflächen der
Bremsbeläge
verschiebt sich infolge der Schrägstellung
der Verschleißmittelpunkt
der Reibfläche
in die entgegengesetzte Richtung. So entsteht ein stabilisierendes
Drehmoment, das den schräg
stehenden Bremsbelag wieder aufrichtet, ähnlich wie bei einem krängenden
Schiff.
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In
der
DD 87 058 C sind
zwar Bremsbeläge mit
konischem Querschnitt offenbart, jedoch ist diese Form einzig zu
dem Zweck gewählt
worden, dass der Bremsbelag bei einem verschleißbedingten Bremsbelagwechsel
auf einfache Weise in eine Schwalbenschwanzführung eines Bremsbelaghalters
eingeführt werden
kann, ohne dass er eine komplizierte, kostspielig herzustellende
Außenkontur
aufweist. Das gleiche gilt für
die in der
DE 21 00
009 A gezeigten Bremsbeläge.
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Der
Effekt der Selbststabilisierung wird auch erreicht, wenn gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sich zumindest die in einer Ebene senkrecht zur Achse
angeordneten Querschnitte von Ausnehmungen im Verschleißvolumen zum
Reibpartner hin erweitern.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
perspektivische Darstellung einer mit einer Bremsscheibe zusammenwirkenden Bremszange
gemäß dem Stand
der Technik;
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2 eine
Querschnittsdarstellung eines Bremsbelaghalters und eines Bremsbelags
der Bremszange von 1;
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3 eine
perspektivische Darstellung einer mit einer Bremsscheibe zusammenwirkenden Bremszange
des Stands der Technik gemäß einer weiteren
Ausführung;
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4 eine
perspektivische Darstellung einer Klotzbremsvorrichtung des Stands
der Technik;
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5 eine
Querschnittsdarstellung eines Bremsbelaghalters und eines Bremsbelags
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung in unverschlissenem Zustand;
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6 eine
Querschnittsdarstellung des Bremsbelaghalters und des Bremsbelags
von 5 in verschlissenem Zustand;
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7 eine
Querschnittsdarstellung eines Bremsbelaghalters und von Bremsbelägen gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung in unverschlissenem Zustand;
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8 eine
Querschnittsdarstellung des Bremsbelaghalters und der Bremsbeläge von 7 in
verschlissenem Zustand;
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9 eine
Querschnittsdarstellung eines Bremsklotzhalters und eines Bremsklotzes
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung in unverschlissenem Zustand;
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10 eine
Querschnittsdarstellung des Bremsklotzhalters und des Bremsklotzes
von 9 in verschlissenem Zustand;
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Der
in 5 gezeigte, einen Bremsbelag 30 tragende
Bremsbelaghalter 32 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird bevorzugt in einer Kompaktbremszange 34 verwendet,
wie sie in 1 jedoch noch mit Bremsbelägen 8 des
Stands der Technik dargestellt ist. Die Kompaktbremszange 34 wirkt
auf eine Bremsscheibe 31, indem die Bremsbeläge 30 in
beidseitigen Reibkontakt mit Seitenflächen der Bremsscheibe 31 treten.
Die Bremsbelaghalter 32 sind an Bremszangenhebeln der Kompaktbremszange 34 mittels
je zweier Bolzenverbindungen 62 und Klemmschrauben 36 befestigt.
Diese Bolzenverbindungen 62 erlauben ein Verschwenken der Bremsbelaghalter 32 um
die Bolzenachsen, welche parallel zur Bremsscheibenebene angeordnet
sind. Dies ist notwendig, damit die Bremsbeläge 30 weiterhin parallel
zu den Seitenflächen
der Bremsscheibe 31 ausgerichtet sein können, wenn diese zusammen mit
der Radachse, mit welcher sie mitdreht, Axialbewegungen ausführt.
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Wie
aus 5 hervorgeht, weisen die Bremsbeläge 30 ein
im jeweiligen Bremsbelaghalter 32 gehaltenes Haltevolumen 38 und
ein mit der Bremsscheibe 31 zusammenwirkendes Verschleißvolumen 40 auf,
welches bis zu einer Verschleißgrenze
verschlissen werden kann. Die Verbindung zwischen dem Haltevolumen 38 der
Bremsbeläge 30 und
dem Bremsbelaghalter 32 kann beispielsweise durch eine
Schwalbenschwanzführung 42 realisiert sein.
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In 5 ist
auch die Kraftwirklinie 44 der Bolzenkraft FBolzen dargestellt,
wie sie in unverschlissenem Zustand des Bremsbelags 30 noch
kollinear mit dem Verschleißmittelpunkt 54 ist,
an welchem die Bremskraft FBrems an einer
Reibfläche 46 des
Bremsbelags 30 angreift. In gestrichelter Linie sind im
Verschleißvolumen 40 vorhandene
Querschlitze 48 dargestellt, die zum einen dazu dienen,
Wasser auf der Reibfläche
nach außen
abzuleiten, damit sich bei feuchter Umgebung kein hydrodynamischen Schmierfilm
auf der Reibfläche 46 ausbildet
und den Gleitreibwert unerwünscht
reduziert wird. Weiterhin verhindern diese Querschlitze 48 eine
Aufbiegung des Bremsbelags 30, wenn sich dieser entlang
seiner Dicke ungleichmäßig erwärmt und
es dadurch zu ungleichmäßigen Wärmeausdehnungen
kommt.
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Wie
zu sehen, verjüngt
sich ein in einer Ebene senkrecht zur Achse der Bolzenverbindung 62 angeordneter
Querschnitt des Verschleißvolumens 40 des
Bremsbelags 30 zur Bremsscheibe 31 hin. Vorzugsweise
verläuft
diese Querschnittverjüngung
glatt und stetig, d. h. die Seitenflächen 50 des Bremsbelags 30 sind
eben und im unverschlissenen Zustand gemäß 5 gegenüber einer
Mittellinie 52 des Bremsbelags 30 zur Bremsscheibe 31 hin
konvergierend schräg
angeordnet.
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Diese
geometrische Ausgestaltung bewirkt, dass sich bei auftretendem Schrägverschleiß des Bremsbelags 30 der
Verschleißmittelpunkt 54 des Bremsbelags 30,
an dem die Bremskraft FBrems fiktiv angreift,
gegenüber
der Kraftwirklinie 44 der Bolzenkraft FBolzen um
einen Weg h2 so verschiebt, dass ein dem
Schrägverschleiß entgegenwirkendes
Drehmoment entsteht, welches den Bremsbelag 30 in eine Richtung
vorspannt, in welcher der vom Verschleiß weniger betroffene, hier
in 6 rechte Abschnitt des Verschleißvolumens 40 des
Bremsbelags 30 höher
belastet wird. Auf diese Weise wird der Schrägverschleiß reduziert und eine gleichmäßigere Abnutzung
des Bremsbelags 30 erzielt.
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7 und 8 zeigen
eine Ausführungsform
eines Bremsbelaghalters 56, an welchem mehrere, beispielsweise
sechseckige Bremsbeläge 58 aus
Sintermaterial beispielsweise durch Kugelkalotten 60 allseitig
schwenkbar gelagert sind. Der Bremsbelaghalter 56 ist wiederum
durch eine Bolzenverbindung 62 gegenüber einem Bremszangenhebel
einer Bremszange gelagert. Der grundlegende Aufbau entspricht der
Ausführung
von 3 mit Ausnahme der Ausgestaltung der Querschnitte
der sechseckigen Bremsbeläge 58.
Aufgrund der allseitig schwenkbaren Lagerung der sechseckigen Bremsbeläge 58 kann
Schrägverschleiß nicht
nur in einer Querschnittsebene senkrecht zur Achse der Bolzenverbindung 62 sondern
in jeder Richtung auftreten. Deshalb muss sich hier der Querschnitt
des Verschleißvolumens 64 der
Bremsbeläge 58 in
jeder Ebene senkrecht zur Bremsscheibe 66 gesehen zur Bremsscheibe 66 hin
verjüngen.
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Wie
beim vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel bewirkt diese
geometrische Ausgestaltung der Bremsbeläge 58, dass sich bei
auftretendem Schrägverschleiß der Verschleißmittelpunkt 68 an
der Reibfläche 70 um
einen Weg h2 so verschiebt, dass ein dem
Schrägverschleiß entgegenwirkendes Drehmoment
entsteht, welches die Bremsbeläge 58 in
eine Richtung vorspannt, in welcher der vom Verschleiß weniger
betroffene Abschnitt des Verschleißvolumens 64 höher belastet
wird, wie aus 8 hervorgeht. Wegen der allseitigen
Schrägung
der Seitenflächen 72 der
Bremsbeläge 58 ist
dieser Effekt nicht auf die in 7 und 8 gezeigte
Querschnittsebene senkrecht zur Bolzenachse der Bolzenverbindung 62 beschränkt, sondern
in allen Querschnittsebenen senkrecht zur Bremsfläche der Bremsscheibe 66 möglich.
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Der
Erfindungsgedanke, die geometrische Form des Bremsbelages so zu
gestalten, dass sich bei auftretendem Schrägverschleiß der Verschleißmittelpunkt
der Reibfläche
so verschiebt, dass ein dem Schrägverschleiß entgegenwirkendes
Drehmoment entsteht, lässt
sich auch auf Klotzbremsen 74 anwenden. Bei der Ausführungsform
von 9 und 10 handelt
es sich um einen Bremsklotz 76 tragenden Bremsklotzhalter 78,
wobei die Reibfläche 80 des
Bremsklotzes 76 entsprechend einer eine Bremsreibfläche 82 bildenden
Lauffläche
eines abzubremsenden Rades einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Auch hier ist der Bremsklotzhalter 78 über eine Bolzenverbindung 84 wie
in 4 gezeigt schwenkbar befestigt.
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Auch
bei dieser Ausführungsform
verjüngt sich
ein in einer Ebene senkrecht zur Achse der Bolzenverbindung 84 angeordneter
Querschnitt des Verschleißvolumens 86 des
Bremsklotzes 76 zur Bremsreibfläche 82 des Rades hin.
Vorzugsweise verläuft diese
Querschnittverjüngung
ebenfalls glatt und stetig, d. h. die Seitenflächen 88 des Bremsklotzes 76 sind
eben und im unverschlissenen Zustand gemäß 9 gegenüber einer
Mittellinie 90 des Bremsklotzes 76 konvergierend
schräg
angeordnet.
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Wie
bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bewirkt die
geometrische Ausgestaltung des Bremsklotzes 76, dass sich
bei auftretendem Schrägverschleiß der Verschleißmittelpunkt 92 an
der Reibfläche 80 gegenüber der
Kraftwirklinie 94 der Bolzenkraft FBolzen um
einen Weg h2 so verschiebt, dass ein dem
Schrägverschleiß entgegenwirkendes
Drehmoment entsteht, welches den Bremsklotz 76 in eine
Richtung vorspannt, in welcher der vom Verschleiß weniger betroffene, in 10 linke
Abschnitt des Verschleißvolumens 86 höher belastet
wird.
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Weiterhin
weisen die Schlitze 96 im Bremsklotz 76 nicht
wie beim Stand der Technik gemäß 4 einen
gleichmäßig rechtwinkeligen
Querschnitt auf, sondern dieser Querschnitt erweitert sich zumindest
teilweise zur Lauffläche 82 des
Rades hin. Wie bei den Seitenflächen 88 des
Bremsklotzes 76 ist diese Querschnittserweiterung bevorzugt
auf die Querschnittsebene senkrecht zur Achse der Bolzenverbindung 84 beschränkt. Da
die die Schlitze 96 begrenzenden inneren Flächen 98 des
Bremsklotzes 76 gewissermaßen auch Seitenflächen des
Bremsklotzes darstellen, bewirkt diese Ausgestaltung den gleichen
Schrägverschleiß ausgleichenden
Effekt, der die Schrägung
der äußeren Seitenflächen 88 des Bremsklotzes 76 hervorruft.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bremsbelaghalter
- 2
- Bolzenverbindung
- 4
- Bremszangenhebel
- 6
- Kompaktbremszange
- 8
- Bremsbelag
- 10
- Verschleißmittelpunkt
- 12
- Kraftwirklinie
- 14
- Bolzenverbindung
- 16
- Bremsbelaghalter
- 18
- Kompaktbremszange
- 19
- Schlitze
- 20
- Bremsbeläge
- 22
- Klotzbremse
- 24
- Bremsklotzhalter
- 26
- Bremshebel
- 28
- Bolzenverbindung
- 30
- Bremsbelag
- 31
- Bremsscheibe
- 32
- Bremsbelaghalter
- 34
- Kompaktbremszange
- 36
- Klemmschraube
- 38
- Haltevolumen
- 40
- Verschleißvolumen
- 42
- Schwalbenschwanzführung
- 44
- Kraftwirklinie
- 46
- Reibfläche
- 48
- Querschlitze
- 50
- Seitenflächen
- 52
- Mittellinie
- 54
- Verschleißmittelpunkt
- 56
- Bremsbelaghalter
- 58
- Bremsbeläge
- 60
- Kugelkalotten
- 62
- Bolzenverbindung
- 64
- Verschleißvolumen
- 66
- Bremsscheibe
- 68
- Verschleißmittelpunkt
- 70
- Reibfläche
- 72
- Seitenflächen
- 74
- Klotzbremse
- 76
- Bremsklotz
- 78
- Bremsklotzhalter
- 80
- Reibfläche
- 82
- Bremsreibfläche
- 84
- Bolzenverbindung
- 86
- Verschleißvolumen
- 88
- Seitenflächen
- 90
- Mittellinie
- 92
- Verschleißmittelpunkt
- 94
- Kraftwirklinie
- 96
- Schlitze
- 98
- Seitenflächen
